Vsebina
- Zakon ohranjanja maše
- Zgodovina zakona o množičnem ohranjanju
- Pregled ohranjanja maše
- Kaj je drugega v fizikalni znanosti "ohranjeno"?
- Zakon ohranjanja mase: Primer
- Einstein in enačba mase in energije
- Masa, energija in teža v resničnem svetu
Eno od pomembnih opredeljevalnih načel fizike je, da mnoge njegove najpomembnejše lastnosti nezadržno upoštevajo pomembno načelo: Pod lahko določenimi pogoji so ohranjeno, kar pomeni, da se skupna količina teh količin v izbranem sistemu nikoli ne spremeni.
Za štiri običajne količine v fiziki je značilno, da imajo zakoni ohranjanja, ki veljajo zanje. To so energija, zagon, kotni zagon in maša. Prve tri od teh so količine, ki so pogosto specifične za težave z mehaniko, vendar je masa univerzalna, in odkritje - ali demonstracija - kot kaže - je bila masa ohranjena in hkrati potrjuje nekatere dolgotrajne sume v znanstvenem svetu, ključnega pomena za dokazovanje .
Zakon ohranjanja maše
The zakon ohranjanja mase navaja, da je v a zaprt sistem (vključno s celotnim vesoljem) mase ne moremo ustvariti niti uničiti s kemičnimi ali fizikalnimi spremembami. Z drugimi besedami, skupna masa se vedno ohranja. Naglušna maksima "Kar gre, mora izstopiti!" Zdi se, da je dobeseden znanstveni truizem, saj nikoli ni bilo dokazano, da bi preprosto izginil brez fizične sledi.
Vse sestavine vseh molekul v vsaki kožni celici, ki jo kadar koli odcedite, s kisikovimi, vodikovimi, dušikovimi, žveplovimi in ogljikovimi atomi še vedno obstajajo. Tako kot kaže skrivnostna znanstvena fantastika Datoteke X izjavlja o resnici, vsa množica, ki je bila kdajkoli ", je zunaj nekje.'
Namesto tega bi ga lahko imenovali "zakon ohranjanja materije", ker odsotnost gravitacije na svetu ni nič posebnega o posebej "masivnih" objektih; več o tem pomembnem razlikovanju sledi, saj je njegovo pomembnost težko pretiravati.
Zgodovina zakona o množičnem ohranjanju
Odkritje zakona ohranjanja mase je leta 1789 opravil francoski znanstvenik Antoine Lavoisier; drugi so že prej prišli na to idejo, vendar jo je prvi dokazal Lavoisier.
Takrat je veliko prevladujočega prepričanja o kemiji o atomski teoriji še vedno prihajalo od starih Grkov, in po zaslugi novejših idej se je mislilo, da je nekaj znotraj ognja ("phlogiston") je bila pravzaprav snov. To so znanstveniki razložili in razložili, zakaj je kup pepela lažji od tistega, kar je bil zgorel, da je nastajal pepel.
Lavoisier segreje živosrebrni oksid in ugotovil, da je količina zmanjšane teže kemikalij enaka teži kisika, ki se sprosti v kemični reakciji.
Preden so kemiki lahko izračunali množico stvari, ki jih je bilo težko zaslediti, na primer vodne pare in sledove, niso mogli ustrezno preizkusiti nobenih načel ohranjanja materije, tudi če bi sumili, da takšni zakoni resnično delujejo.
Vsekakor je to vodilo Lavoisierja, da je treba snovi ohranjati v kemijskih reakcijah, kar pomeni, da je skupna količina snovi na vsaki strani kemijske enačbe enaka. To pomeni, da mora biti skupno število atomov (ni pa nujno skupno število molekul) v reaktantih enako količini v produktih, ne glede na naravo kemične spremembe.
Pregled ohranjanja maše
Ena težava, ki jo imajo ljudje pri zakonu ohranjanja mase, je ta, da meje vaših čutov naredijo nekatere vidike zakona manj intuitivne.
Ko na primer pojeste kilogram hrane in popijete kilogram tekočine, lahko tehtate šest ali več ur kasneje, tudi če ne hodite na stranišče. Deloma je to zato, ker se ogljikove spojine v hrani pretvorijo v ogljikov dioksid (CO)2) in izdihnite postopoma v (običajno nevidnem) paru v sapi.
Kot bistvo kemije je zakon ohranjanja mase sestavni del razumevanja fizikalne znanosti, vključno s fiziko. Na primer, v trenutnem problemu zaradi trka lahko domnevamo, da se celotna masa v sistemu ni spremenila od tiste, ki je bila pred trkom, v nekaj drugega po trčenju, ker se ohranja masa - kot zagon in energija -.
Kaj je drugega v fizikalni znanosti "ohranjeno"?
The zakon ohranjanja energije navaja, da se celotna energija izoliranega sistema nikoli ne spremeni, kar se lahko izrazi na več načinov. Ena izmed teh je KE (kinetična energija) + PE (potencialna energija) + notranja energija (IE) = konstanta. Ta zakon izhaja iz prvega zakona termodinamike in zagotavlja, da energije, tako kot masa, ni mogoče ustvariti ali uničiti.
Zagon (mv) in kotni zagon (L = mvr) se ohranjajo tudi v fiziki in ustrezni zakoni močno določajo velik del obnašanja delcev v klasični analitični mehaniki.
Zakon ohranjanja mase: Primer
Segrevanje kalcijevega karbonata ali CaCO3, tvori kalcijevo spojino in hkrati sprošča skrivnostni plin. Recimo, da imate 1 kg (1.000 g) CaCO3, in odkrijete, da pri segrevanju ostane 560 gramov kalcijeve spojine.
Kakšna je verjetno sestava preostale kemične snovi kalcija in kakšna je spojina, ki je bila sproščena kot plin?
Prvič, ker gre v bistvu za problem kemije, se morate obrniti na periodično tabelo elementov (za primer glejte Viri).
Povedali so vam, da imate začetnih 1.000 g CaCO3. Iz molekulskih mas sestavnih atomov v tabeli vidite, da je Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol in O = 16 g / mol, zaradi česar je molekulska masa kalcijevega karbonata v celoti 100 g / mol (ne pozabite, da so v CaCO trije atomi kisika3). Vendar imate na voljo 1000 g CaCO3, kar je 10 molov snovi.
V tem primeru ima kalcijev produkt 10 molov Ca-atomov; ker je vsak Ca atom 40 g / mol, imate 400 g Ca, za katerega lahko varno domnevate, da je ostalo po CaCO3 segreval. V tem primeru preostalih 160 g (560 - 400) spojin po segrevanju predstavlja 10 molov kisikovih atomov. To mora pustiti 440 g mase kot sproščen plin.
Uravnotežena enačba mora imeti obliko
10 CaCO3 → 10 CaO +?
in "?" plin mora v neki kombinaciji vsebovati ogljik in kisik; mora imeti 20 molov atomov kisika - že imate 10 molov atomov kisika levo od znaka + - in zato 10 molov ogljikovih atomov. "?" je CO2. (V današnjem svetu znanosti ste slišali za ogljikov dioksid, zaradi česar je ta težava nekaj nepomembnega. Toda pomislite na čas, ko znanstveniki sploh niso vedeli, kaj je v zraku.)
Einstein in enačba mase in energije
Študentje fizike bodo znani zmedli ohranitev enačbe mase in energije E = mc2 ki ga je v zgodnjih 1900-ih postavil Albert Einstein in se spraševal, ali kljubuje zakonu ohranitve mase (ali energije), saj se zdi, da lahko pomeni, da se lahko masa pretvori v energijo in obratno.
Noben zakon ni kršen; namesto tega zakon potrjuje, da sta masa in energija dejansko različne oblike iste stvari.
Nekako je njihovo merjenje v različnih enotah glede na situacijo.
Masa, energija in teža v resničnem svetu
Morda si ne morete pomagati, vendar nezavedno enačite maso s težo iz zgoraj opisanih razlogov - masa je teža le, če je gravitacija v mešanici, toda ko je po vaših izkušnjah gravitacija ne prisotni (ko ste na Zemlji in niste v ničelni gravitacijski komori)?
Težko je torej materijo dojemati kot samo stvari, kot energijo samo po sebi, ki je v skladu z nekaterimi temeljnimi zakoni in načeli.
Prav tako kot energija lahko spreminja oblike med kinetičnimi, potencialnimi, električnimi, toplotnimi in drugimi vrstami, tudi materija počne isto, čeprav se različne oblike materije imenujejo stanj: trdna snov, plin, tekočina in plazma.
Če lahko filtrirate, kako vaša čutila dojemajo razlike v teh količinah, boste morda razumeli, da je v fiziki malo dejanskih razlik.
Sposobnost povezovanja glavnih konceptov v "trdih znanostih" se morda sprva zdi težko, vendar je na koncu vedno vznemirljivo in koristno.